Научно-исследовательская работа

Направление: Электронные технологии в машиностроении

«3 Д моделирование и прототипирования, от начала до

современности»

Оглавление

1.

Введение 3стр.

2.

Цель и задачи работы. 5стр.

3.

Гипотеза, объект и предмет исследования. 6стр.

4.

Теоретическая часть. 7стр.

5.

Практическая часть. 17стр.

6.

Заключение. 19стр.

7.

Список литературы 20стр.

2

1. Введение.

С древних времен человек стремился перенести на бумагу свои

технические фантазии, а затем и воплотить их в повседневную жизнь.

Так же многие сталкиваются с ситуацией, когда ломается деталь или

любимая вещь и ими нельзя больше пользоваться. Если раньше,

представить то, как будет выглядеть деталь, механизм или строение

могли лишь по чертежу или рисунку, а любимую вещь приходилось

выбрасывать, так как многие производители уже не выпускают такие

детали или они стоят очень дорого, с появлением трехмерного

компьютерного моделирования и прототипирования стало возможным

создать объемное изображение и распечатать модель на 3D принтере.

История создания

Первая кафедра компьютерной графики была открыта в 1960-х годах в

Университете Юты Дэвидом Эвансом и Айваном Сазерлендом.

Созданная ими программа Sketchpad была прообразом всех

современных CAD-систем и 3D-редакторов. Одним из студентов

кафедры оказался Эд Катмулл – будущий технический директор

корпорации Pixar. Именно он смоделировал первый объект, взяв за

основу для моделирования кисть собственной руки.

В 1969 году Эванс и Сазерленд открыли первую компанию по

производству компьютерной графики Evans & Sutherland.

Первоначально созданные ими продукты использовались в основном на

телевидении, в рекламе и кинематографе. В 1976 году состоялась

премьера первого фильма с применением несложных элементов

трехмерной графики. В 1995 году на экраны вышла «История игрушек»

– анимационный фильм, созданный с помощью программ трехмерной

анимации и трехмерных редакторов.

3

3D моделирование – это проектирование трехмерной модели по заранее

разработанному чертежу или эскизу.

При моделировании важным этапом является рендеринг

преобразование эскиза модели в приятный для восприятия формат.

3D модель отличается фотографической точностью и позволяет лучше

представить себе, как будет выглядеть проект или деталь и внести

необходимые изменения.

3D модель или прототип всегда производит гораздо большее

впечатление,

чем все остальные способы презентации будущей модели. Современные

технологии позволяют добиваться потрясающих результатов и

реалистичности

В настоящее время рынок 3D пакетов достаточно многообразен.

Относительно низкие цены на софт сделали лицензионное программное

решение доступным для многих пользователей.

Научное сообщество считает, что в скором времени произойдет

технологический прорыв человечества и многие вещи и предметы

люди смогут распечатывать дома на бытовых принтерах.

4

2. Цель и задачи работы.

Цель работы:

- Доказать, что 3D моделирование и прототипирование, а так же 3D

принтеры на сегодняшний день являются современными,

актуальными, полезными и удобными направлениями в жизни

человека.

- Создать в САПР 3D модель и распечатать ее на 3D принтере.

Задачи исследования:

- Раскрыть термины 3D моделирование и прототипирование.

- Рассказать о программах создания трехмерного объекта и 3D

принтерах.

- Сделать вывод.

5

3. Гипотеза, объект и предмет исследования.

В ходе работы нами была выдвинута гипотеза: компьютерные

программы трехмерного создания объекта и 3D принтеры позволяют

создавать детали, механизмы и предметы.

Предмет исследования: область применения, виды 3D печати,

программы и 3D принтеры

.

6

4. Теоретическая часть.

Мы расскажем вам о том, что такое прототипирование и 3D-

моделирование, каким оно бывает, где его применяют.

Под 3D моделированием подразумевается процесс создания

трехмерной модели объекта с целью демонстрации его внешнего и

внутреннего вида с максимальной реалистичностью. При этом объект

может быть как из реальной жизни (здание, автомобиль и т.п.), так и

абсолютно абстрактным. Для построения объемной модели предмета

используются специальные программы: 3D max, Cinema 4D, Maya,

Rhinoceros, Компас 3D, AutoCad и др., а также и специальные

принтеры.

3D-моделирование — это процесс создания трёхмерной модели

объекта.

Задача 3D-моделирования — разработать зрительный объёмный образ

желаемого объекта. При этом модель может, как соответствовать

объектам из реального мира (автомобили, здания, ураган, астероид),

так и быть полностью абстрактной (проекция четырёхмерного

фрактала).

Графическое изображение трёхмерных объектов отличается тем, что

включает построение геометрической проекции трёхмерной модели

сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью

специализированных программ. Однако с созданием и внедрением

3D-дисплеев и 3D-принтеров трёхмерная графика не обязательно

включает в себя проецирование на плоскость.

3D-моделирование прочно вошло в нашу жизнь, частично или

полностью изменив некоторые виды работ и услуг.

Преимуществ у трехмерного моделирования перед другими

способами визуализации довольно много. Трехмерное моделирование

дает очень точную модель, максимально приближенную к реальности.

7

Современные программы помогают достичь высокой детализации.

При этом значительно увеличивается наглядность проекта. Выразить

трехмерный объект на бумаге в двухмерной плоскости не просто,

тогда как 3D визуализация дает возможность тщательно проработать

и что самое главное, просмотреть все детали.

В трехмерную модель очень легко вносить практически любые

изменения. Можно изменять проект, убирать одни детали и добавлять

новые, менять цвет и форму. Фантазия практически ни чем не

ограничена, и можно быстро выбрать и изменить именно тот вариант,

который подойдет заказчику.

Профессиональные программы дают множество преимуществ и

изготовителю. Из трехмерной модели легко можно выделить чертеж

каких-либо компонентов или конструкции целиком. Несмотря на то,

что создание трехмерной модели довольно трудозатратный процесс,

работать с ним в дальнейшем гораздо проще и удобнее чем с

традиционными чертежами. В результате значительно сокращаются

время, затраченное на проектирование.

На сегодняшний день прототипирование и 3D моделирование активно

используется в проектировании жилых зданий и промышленных

объектов, архитектурных сооружений, в ландшафтном дизайне,

дизайне интерьеров, медицине, машиностроении. Так же не стоит

забывать о компьютерных играх и программах, где 3D модели тоже

используются.

Дизайнеры и архитекторы всего мира используют разнообразные

графические программы, такие как 3DS Max, Photoshop, AutoCAD и

другие. С помощью них создаются уникальные объекты и показывают

на сколько невероятными могут быть идеи и мечты. Большинство

людей перед тем, как что-то построить, нуждаются в визуальном

примере, на который можно посмотреть и оценить все

положительные

и отрицательные стороны, ознакомиться с габаритами и тем,

как он будет выглядеть и сочетаться с остальным интерьером.

8

Для начала разберем какие же бывают виды 3D-моделирования и где

они применяются.

На сегодняшний день можно выделить 4 крупные отрасли, которые

невозможно представить без применения трехмерных моделей и

прототипов.

На сегодняшний день можно выделить 4 крупные отрасли, которые

невозможно представить без применения трехмерных моделей и

прототипов. Это:

- Индустрия развлечений

- Медицина

- Промышленность и машиностроение

- Строительный и ландшафтный дизайн

С первой мы сталкиваемся почти каждый день. Это фильмы,

мультфильмы, анимация и 90% компьютерных игр. На данный

момент ни один современный фильм и компьютерная игра не

обходятся без трехмерной графики. Профессия 3D-художника

востребована как никогда. Создание компьютерной графики в

фильмах – колоссальная работа, над которой трудятся сотни

профессионалов. От сценаристов и режиссеров до целой армии 3D-

художников.

Все виртуальные миры и персонажи созданы с помощью одного и

того же принципа — полигонального моделирования.

Полигонами называются вот эти треугольники и четырехугольники

(рис.2).

Рис.2

9

Еще одной крупной сферой применения 3D моделей является

медицина.

Благодаря средствам массовой информации и интернету ни для кого

не секрет, что клетки, суставы и т.д можно распечатать на 3D-

принтере (рис.3).

Рис.3

Теперь учёным нет необходимости ставить эксперименты на

животных, можно испытать влияние того или иного заболевания на

распечатанных аналогах.

Сегодня многие доктора посвящают себя поиску вакцины против

рака. При помощи устройства трёхмерной печати на 3D биопринтере

они воссоздают раковые клетки, которые выращивают и изучают.

Таким образом, прототипы помогают врачам исследовать опасные

болезни.

1) 3D печать прототипов и готовых имплантов с использованием

различных технологий и расходных материалов;

2) Изготовление прототипов протезов (бионическая рука, сердце,

стоматологических и не только);

3) Разработка и печать ортопедических корсетов и вспомогательных

приспособлений для лечения заболеваний опорно-двигательного

аппарата;

10

4) Совместное с медицинскими работниками проектирование

индивидуальныхврачебных приспособлений.

3D-моделирование и прототипировнаие изделий машиностроения

(рис.4)

Рис.4

позволяет спроектировать деталь или узел изделия в виде конечного

готового состоянии, соблюдая все конструктивные особенности. При

наличии дополнительных знаний и навыков любую модель можно

рассчитать на прочность. В ходе выполнения 3D-модели следуют по

следующему плану:

1) Моделирование (создание математической базы);

2) Текстурирование (введение свойств объектов);

3) Рендеринг (проекционное построение);

4)Компоновка (завершающий этап, на котором полученная модель

корректируется).

Наибольшей популярностью в этой области являются коммерческие

продукты: Autodesk 3ds Max, КОМПАС-3 D и многие другие.

Autodesk 3ds Max — самое мощное, функциональное и универсальное

приложение для трехмерной графики. 3DМакс — это стандарт, под

который выпущено множество дополнительных плагинов,

11

разработано готовых 3D- моделей, отсняты гигабайты авторских

курсов и видеоуроков. С этой программы лучше всего начинать

учиться компьютерной графике.

AutoCAD - Для целей строительного, инженерного и промышленного

проектирования применяется самый популярный чертежный пакет —

AutoCAD от компании Autodesk. Эта программа обладает

мощнейшим функционалом для двухмерного черчения, а также

проектирования трехмерных деталей разной сложности и назначения.

КОМПАС-3D — это российская импортонезависимая система

трехмерного проектирования, ставшая стандартом для тысяч

предприятий и сотен тысяч профессиональных пользователей.

КОМПАС-3D широко используется для проектирования изделий

основного и вспомогательного производств в таких отраслях

промышленности, как машиностроение (транспортное,

сельскохозяйственное, энергетическое, нефтегазовое, химическое и

т.д.), приборостроение, авиастроение, судостроение, станкостроение,

вагоностроение, металлургия, промышленное и гражданское

строительство, товары народного потребления и т. Д

Планируя ремонт или желая обновить интерьер квартиры, нужно

визуально представить, как это будет выглядеть после ремонта

(рис.5,6). Бывает действительно сложно продумать все мелочи и

детали. Именно помогут даже начинающим пользователям легко

обустроить свой дом. Огромные галереи декора и текстур вместе с

безграничным количеством вариантов планировки помещения смогут

идеально визуализировать любое пространство.

12

Рис.5

Рис.6

И конечно расскажем немного о 3D принтерах:

Первые разработки в области 3D печати велись в далёкие 90-е годы.

Первый действующий прототип появился в Массачусетском

технологическом институте спустя пять лет. В 1995 году это

устройство было достаточно неуклюжим и мало функциональным по

сравнению с современными домашними 3D принтерами, которые не

так давно начали завоёвывать рынок. Подобные устройства оказались

востребованными во многих отраслях. Это институты, рекламные

13

агентства, различные научно-исследовательские сферы, ювелирная

промышленность, зубные техники.

С помощью принтера можно печатать огромное количество вещей и

плюс АБС пластик очень прочный, он используется в

машиностроении, соответственно здесь можно в частном

производстве распечатать очень сложную деталь, и сделать ее

штучной.

Способствует широкому применению и в домашних условиях 3D

печати расходные материалы, а точнее их простота в применении,

экологичность, прочность и доступная цена.

Определённо, технологии 3D печати в будущем будут играть

важнейшую роль в нашей жизни, несомненно, помогут решить

многие проблемы человечества и воплотить практически любые

мечты в реальность.

Прототипирование и 3D-печать – это современный метод создания

черновых заготовок для различных отраслей и сфер деятельности с

целью их дальнейшей доработки или видоизменения дизайна.

Комплексное действие часто выполняют для получения нового

продукта, поэтому наибольшая востребованность наблюдается в

конструкторских бюро. До популяризации метода и использования

3D-принтеров конструкторы применяли отливные формы, выполняли

модели из гипса или через фрезеровку других материалов.

14

Проведение прототипирования с 3D-печатью осуществляется в

несколько последовательных стадий:

1.

Формируется трехмерная модель. Для этого берется уже готовое

изделие и обрабатывается 3D-сканером. Такой подход наиболее

распространен среди инженеров, которые дорабатывают дизайн

или придумывают новшества по улучшению функциональной

стороны.

2.

Далее, прототипирование и 3D-печать переходит к фазе

изготовления заготовок. Для этого применяются смолы или

пластик в зависимости от потребностей разработчика. Для

получения идеальных формы обязательно выполняется пост-

обработка.

15

3. Последняя стадия включает непосредственную работу с

прототипом. Как отмечалось ранее, инженерный персонал

видоизменяет декоративную составляющую или подвергают изделие

частичному или полному видоизменению.

Такая несложная процедура расширяет возможности изобретателя

или дизайнера, а также ускоряет процедуру, что важно в жизненном

цикле продукта.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОТОТИПИРОВАНИЯ 3D-ПЕЧАТИ

Печать и прототипирование 3D-моделей сопровождается рядом

существенных достоинств:

1. Значительно сокращает время, которое требуется на формирование

прототипа. Высвобождение времени помогает сфокусироваться на

качественных изменениях конечного продукта.

2. Повышенная точность формирования заготовки. Сканирование и

печать на узкоспециализированных принтерах значительно улучшают

качество модели, ее точность, пропорции. В ряде отраслей подобное

является ключом для качественного или дизайнерского

преображения.

16

3. Доступность 3D-печати снизило затраты до минимума. Изобретать

становится более комфортно даже для небольших представительств и

конструкторских бюро.

3D-печать и быстрое прототипирование является современной,

эффективной альтернативой на ближайшие несколько десятилетий.

5. Практическая часть.

В практической части я расскажу о наших работах Ульяновском

электромеханическом колледже.

Мы узнали о возможности «3D моделирования и прототипирования»

в «УЭМК». Мы учимся по специальности Технология

машиностроения. За это время мы самостоятельно с помощью

видеоуроков, которые нашли на канале YouTube, изучили и

научились делать модели в программе КОМПАС- 3D, т.к еще

обучаемся на 1м курсе и у нас нет предметов связанных с 3D

моделированием и прототипированием.

Было очень интересно попробовать свои силы, нам нравится это

направление и в дальнейшем мы планируем более глубокое изучение

связанное с моделированием и прототипированием.

При подготовке исследовательской работы, под руководством нашего

руководителя Оксаны Сергеевны, мы создали и напечатали модель

детали «Стойка» и «Кораблик»

17

18

Вывод: в ходе нашей работы мы доказали, гипотезу, что в настоящее

время с помощью программ 3D моделирования, прототипирования и

3D принтеров во многих областях жизни человека возможно создание

уникальных предметов и деталей.

6. Заключение.

Мы много узнали о технологиях создания моделей и их способов

печати, самостоятельно изучил программу КОМПАС - D, своими

глазами видели как работают 3D принтеры и научились печать

предметы. Еще я хочу изучить 3D сканирование.

19

20